Способы повышения литровой мощности двигателей

ДВИГАТЕЛЕЙ

ПОВЫШЕНИЕ ЛИТРОВОЙ МОЩНОСТИ ПОРШНЕВЫХ

Форсированием двигателя обычно называют повышение его эффективной литровой мощности , кВт/л на номинальном режиме. Основные способы форсирования вытекают из уравнения:

(1.1)

где p_e – среднее индикаторное давление; n_d – частота вращения коленчатого вала, мин^-1; τ _d – тактность двигателя.

Из анализа выражения (1.1) следует, что литровая мощность N_ev может быть повышена в общем случае за счет:

· повышения удельной эффективной работы цикла, т.е повышения среднего эффективного давления p_e;

· увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя на номинальном режиме , мин^-1;

· перехода с четырехтактного (= 4) на двухтактный (= 2) цикл.

Следует иметь в виду, что пропорционального изменения литровой мощности при изменении каждого из показателей, входящих в уравнение (1.1) не происходит, так как они взаимосвязаны. Например, на значение среднего эффективного давления оказывают влияние не только тактность, но и частота вращения коленчатого вала двигателя.

Осуществление двухтактного цикла при прочих равных параметрах позволяет увеличить литровую мощность в 1,5…1,7 раза по сравнению с четырехтактным циклом. Однако при переходе на двухтактный цикл возникает ряд проблем. Основными из них являются:

· ухудшение качества протекания процесса газообмена;

· повышение тепловых и механических нагрузок на детали двигателя;

· увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах.

Вследствие сложности решения этих проблем на автомобильном транспорте и тракторах двухтактные двигатели применяются редко.

Повышение частоты вращения коленчатого вала на номинальном режиме является сравнительно простым способом увеличения литровой мощности, так как позволяют сохранить массовые и габаритные показатели двигателя.

Главными факторами, ограничивающими предел форсирования двигателей этим способом, являются:

· заметное увеличение затрат мощности на преодоление трения;

· сокращение времени протекания цикла, что приводит к некоторому ухудшению качества процессов газообмена, смесеобразования и сгорания.

Применение электронных систем управления процессами газообмена и смесеобразования в сочетании с другими достижениями новых технологий позволили к настоящему времени надежно обеспечить частоты вращения на номинальном режиме бензиновых двигателей до 7800…8000 мин^-1, а дизелей до 4500…5000 мин^-1.

Пути повышения среднего эффективного давления p_e (отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема двигателя) вытекают из анализа уравнения

, (1.2)

где H_u – низшая теплота сгорания топлива; – коэффициент избытка воздуха; L _o – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кмоль возд./кг топл.; η _i – индикаторный КПД; η _v – коэффициент наполнения; _м – механический КПД; – средняя за цикл плотность воздуха перед впускными органами (во впускном ресивере объёмом ); – давление и температура воздуха на впуске; R _μ – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль К).

Из уравнения (1.2) следует, что наибольшее влияние на повышение удельной работы p_e оказывает плотность воздуха . Принудительное увеличение плотности воздуха вне цилиндра обеспечивает его большее массовое наполнение. Это позволяет сжигать большее количество топлива и получать соответствующий прирост удельной работы и мощности. При этом необходимо учитывать, что повышение массы воздуха, поступившего в цилиндр, происходит не только из-за роста плотности , но и качества наполнения, характеризуемого коэффициентом наполнения . Это объясняется уменьшением относительных потерь давления во впускных органах. В итоге, повышение массы воздуха, поступившей в цилиндр, зависит от увеличения произведения .

При газотурбинном наддуве относительные затраты работы на насосные ходы снижаются и, следовательно, увеличивается механический КПД η_м, а при механическом наддуве он уменьшается, так как возрастают затраты мощности на привод вспомогательных агрегатов (на величину необходимую для привода нагнетателя).

Кроме того, для снижения теплонапряженности деталей и обеспечения полноты сгорания топлива в двигателях с наддувом коэффициент избытка воздуха имеет более высокие значения, чем у двигателей без наддува. Изменяется также протекание процессов смесеобразования и сгорания, что отражается на значении индикаторного КПД η _i.

Таким образом конечный эффект от наддува, согласно уравнения (1.2), зависит от суммарного изменения параметров _м.

Средняя величина плотности воздуха во впускном ресивере (на впуске) зависит от давления наддува (на выходе из нагнетателя) p_k, температуры T_k, расходов через клапаны и компрессор в течение цикла, а также, как будет показано далее, от объёма ресивера, количества подсоединённых к нему цилиндров и порядка их работы. Повышение температуры воздуха при наддуве является негативным фактором, приводящим не только к меньшему росту плотности ρ _k, но и к увеличению тепловой напряженности деталей цилиндро-поршневой группы двигателя. Для снижения T_k применяют охлаждение воздуха после агрегата наддува в специальных теплообменниках – охладителях наддувочного воздуха (ОНВ).

В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления p_k надувочного воздуха:

· при низком наддуве – 1,5 p ₀;

· при среднем давлении – (1,5…2,3) p ₀;

· при высоком наддуве – (2,2…2,5) p _0.

Степень повышения мощности при наддуве можно оценить по так называемой степени наддува

π _е = p_eк / p_e = N_eк / N_e,

где p_e, N_e – среднее эффективное давление и мощность двигателя без наддува; p_eк, N_eк – те же показатели двигателя с наддувом.

В настоящее время значения степени наддува находятся в диапазоне λ _b = 1,5…2,0 и выше.

1.2. Виды наддува. В зависимости от способа, используемого для повышения плотности свежего заряда на впуске, различают следующие виды наддува:

а). Без агрегатный (газодинамический):

· скоростной и инерционно- волновой).

б). Агрегатный:

· механический (приводной);

· с помощью волнового обменника давления (система «Comprex»);

· газотурбинный (турбонаддув);

· комбинированный.

Для понимания сущности наддува широко используется анализ термодинамических циклов. Под идеальным термодинамическим циклом двигателя понимается цикл, в котором подвод и отвод теплоты к рабочему телу (идеальный газ с постоянной теплоемкостью) осуществляется по изохоре и изобаре, сжатие и расширение по адиабатам. Эти циклы в определенной мере могут быть использованы при исследовании действительных циклов.

Дата добавления: 2014-10-17